用于污染土壤深层搅拌-热空气注入的原位修复系统及方法

摘要

本发明提供了一种用于污染土壤深层搅拌-热空气注入的原位修复系统及方法，系统的热空气喷射管的下端与钻头内的钻头体芯管相连通，热空气喷射管的上端与热空气压缩机的出气口相连通，覆盖罩与气液分离器之间连接有混合气液管路。方法中按照设计标高，钻头在目标土壤层中上下往复钻进，所述搅拌钻孔的直径为1.5～2.5米，搅拌钻孔的深度为9～12米，热空气注入压力为1～2MPa，热空气温度为90～110℃。本发明的技术应用地层范围可扩展到低～中渗透性地层，适用污染物的类型范围也有所增加，如对于苯胺等某些半挥发性有机物仍有效。可解决SVE技术在修复后期普遍存在的“拖尾效应”问题，使修复效率大大提高，极大缩短了修复周期。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于污染土壤深层搅拌-热空气注入的原位修复系统及方法，属于 污染土壤修复系统及修复方法技术领域。

背景技术

土壤环境是人类赖以生存的基础，随着全球工业化进程，有机污染已超过重金属污 染和放射性污染而跃居首位。近年来，我国土壤污染日益严重，不仅破坏土壤本身生态 系统，直接或间接危害人类健康，更为严重的是，挥发性有机污染物在不饱和区域会迁 移至深层，尤其是对地下水资源构成威胁，造成严重后果，因此急需研究开发符合我国 国情的工程修复技术。由于污染场地地质条件的复杂性、挥发性有机物的特殊性、土壤 中污染物分布不均，单一的土壤修复技术往往不能达到预期的修复目标，污染土壤联合 修复技术的需求显得尤为迫切。

土壤修复工程技术按其实施方式可分为原位修复和异位修复，按其修复方法可分为 物理修复、化学修复和生物修复。

土壤气相抽提(Soil Vapor Extraction，SVE)，是始于20世纪80年代中后期的一 种土壤原位修复技术，其原理是主要利用物理方法去除地下不饱和区域(vadose)的多 孔介质土壤中的挥发性有机物(Volatile Organic Compounds，VOCs)。SVE修复技术 的现场应用受污染物特性、土壤特性以及地下微生物状况等条件的制约。一般SVE系统 通常包含抽气井、真空泵、地面管路、尾气处理装置等基本结构。

土壤气相抽提技术的应用有其适用范围：SVE技术适宜于土壤不饱和区域中挥发性 有机污染物的去除修复，土壤的渗透性质、污染物的蒸气压对修复效果有重要影响。土 壤气相抽提技术在发达国家已经广泛应用于实际修复，但其修复理论还需进一步完善， SVE系统的设计仍很大程度依赖于现场试验或中试数据。

土壤深层搅拌技术是一种加固软土地基的技术，是利用深层搅拌机械(如长螺栓 钻机)，在加固深度内就地将软土和水泥强制拌合，使软土硬结成具有整体性、水稳定 性和足够强度的水泥土的一种地基处理方法。该技术是日本在70年代中期首创和开始应 用，简称CMC工法。国内于1977年末由交通部水运规划设计院和冶金建筑研究院协作进 行机械研制和室内外试验，并在岩土工程中开始正式使用。

热空气注入技术具有热空气注入相对经济，相对于高质量蒸汽容易提供的优点。 由于空气具有相对低的热容量和在管道中的高能量损失的特点，单一的热空气注入并不 是非常有效的向地下土壤传递热量的方式。

美国专利No.6,805,518“挥发性有机物原位土壤修复方法”提到了原位化学氧化治 理污染土壤前期进行汽提，它通过沟槽装置收集土壤中挥发性的碳氢化合物，实际上是 一种热强化的化学氧化方法，该方法引入热空气的目的是化学氧化的前处理，其应用具 有一定的局限性，仅适合于易氧化的烃类污染物的修复。

美国专利No.5,836,718“污染土壤异位清洁方法和装置”采用封闭土堆系统，通过 燃料供给产生热空气，形成热空气循环回路以处理烃污染土壤。该方法采用密闭管路传 热和直接加热的方式，由于土堆内部污染物分布不均、土壤孔隙度差异较大等因素制 约，会导致气流受阻、能耗相对较大且处理效果不佳。

美国专利No.5,639,182“土壤原位修复方法”涉及一种原位土壤搅拌方法，它通过 移动式履带行进的钻机，配备有可垂直钻进的叶轮钻头，可实现污染土壤的原位搅拌。 所采用搅拌钻头为一体式叶轮钻头，因而搅拌深度受到了限制且阻力较大，其应用具有 一定的局限性，仅适合于较松散地层的处理。

以上几种专利技术用于污染土壤原位修复或异位修复，其热空气的引入方式及装 置、土壤搅拌的方法及装置，应用很大程度受到现场场地条件、污染物种类等诸多因素 的制约，使得此类技术的适用范围、应用成本、控制及修复效率等仍有许多待改进和强 化之处，尤其是热空气注入技术、土壤搅拌技术及其组合问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有原位体系的修复效率及污染物的去除效果较差、 SVE技术在修复后期普遍存在的“拖尾效应”的问题，进而提供一种用于污染土壤深层 搅拌-热空气注入的原位修复系统及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种用于污染土壤深层搅拌-热空气注入的原位修复系统，包括：长螺旋钻机、动 力头、热空气喷射管、钻杆、钻头体芯管、钻头、覆盖罩、混合气液管路、气液分离 器、热空气压缩机、漩涡抽风机、气相处理器、液相输送管路、废液处理器和动力源， 所述动力头设置在长螺旋钻机上，钻杆的上端与动力头相连接，钻杆的下端与钻头相连 接，热空气喷射管设置在钻杆内，热空气喷射管的下端与钻头内的钻头体芯管相连通， 钻头体芯管上开有热空气喷射口，热空气喷射管的上端与热空气压缩机的出气口相连 通，动力源分别与热空气压缩机和气相处理器相连接，覆盖罩设置在钻头的上部，覆盖 罩与气液分离器之间连接有混合气液管路，气液分离器的液相出口与废液处理器之间连 接有液相输送管路，废液处理器上设有达标废液排出口，漩涡抽风机的进风口与气液分 离器的气相出口相连通，漩涡抽风机的出风口与气相处理器的废气进口相连通。

一种用于污染土壤深层搅拌-热空气注入的原位修复方法，首先，按照设计标高， 钻头在目标土壤层中上下往复钻进，将不同质地、不同疏密程度的污染土壤打散混合， 增加土壤的空隙率和疏松性，由热空气压缩机提供的高压热空气输送至搅拌钻孔内，从 钻头底部的热空气喷射口喷出，吹脱土壤中的污染物的同时也加热土壤，加速吸附在土 壤中的污染物的解吸、挥发和扩散；最后，自搅拌钻孔收集的有机污染气体经由气液分 离器、气相处理器和废液处理器进行处理，所述搅拌钻孔的直径为1.5～2.5米，搅拌钻 孔的深度为9～12米，热空气注入压力为1～2MPa，热空气温度为90～110℃。

本发明的有益效果是：

一、修复系统设计相对简单，优越于其它如生物处理或土壤冲洗等技术需要复杂的 设计或特殊的设备。可最佳地达到原位体系的修复效率及污染物的去除效果。

二、对于污染场地土壤现场流体力学试验及挥发性有机物原位修复具有可行性，其 竖井竖直搅拌钻孔系统适应于如砂土、粉土、粉质粘土、粘土层等不同地质条件的现场 地层及土壤条件。本发明采用了注入热空气的方式，与注入蒸汽工艺比较，能耗大大降 低。

三、本发明相对于土壤气相抽提(SVE)技术，其应用范围极大地得到了扩展。传 统SVE技术仅适用于中～高渗透性地层且土壤中污染物为易挥发性有机物，而本发明的 技术应用地层范围可扩展到低～中渗透性地层，适用污染物的类型范围也有所增加，如 对于苯胺等某些半挥发性有机物仍有效。可解决SVE技术在修复后期普遍存在的“拖尾 效应”问题，使修复效率大大提高，极大缩短了修复周期。

四、本发明深层搅拌采用了复搅工艺，分为初钻和复钻两个过程，可保证搅拌混合 后土壤中挥发性污染物的充分吹脱。初钻目的在于疏松、混匀修复区域的土壤，并配合 PID读数初步判断修复区域污染程度，为复钻操作和尾气处理提供依据。复钻目的在于 高效、最大程度去除土壤中的挥发性污染物。

本发明的污染土壤深层搅拌-热空气注入系统，其地面气相收集和处理系统，热空 气注射装置及其管路部分与地下土壤搅拌钻孔部分有机结合构成了挥发性有机污染土壤 理想、高效的现场中试或工业应用规模的有机污染土壤原位修复体系。相比较需要复杂 设备的其它修复技术如土壤淋洗、生物修复、化学氧化修复而言，以投入相对较小的设 备投资能够达到预期测试或修复的目标。现场中试研究证明，本发明是具有设计合理、 设备相对简单、操作方便可行、易于维护、运行过程参数容易控制的有机污染土壤原位 修复体系，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明一种用于污染土壤深层搅拌-热空气注入的原位修复系统的结构示意 图；

图2是图1的A处放大图。

图中的附图标记5是热空气流经路径，10是污染土壤，19是热空气压缩机进气口， 20是电源输入口，21是空气补给，26是气相处理器废气出口，27是处理后气体排放，30 是供能。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前 提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

如图1和图2所示，本实施例所涉及的一种用于污染土壤深层搅拌-热空气注入的原 位修复系统，包括：长螺旋钻机1、动力头2、热空气喷射管3、钻杆4、钻头体芯管7、 钻头8、覆盖罩13、混合气液管路15、气液分离器16、热空气压缩机18、漩涡抽风机 23、气相处理器25、液相输送管路28、废液处理器29和动力源31，所述动力头2设置在 长螺旋钻机1上，钻杆4的上端与动力头2相连接，钻杆4的下端与钻头8相连接，热空气 喷射管3设置在钻杆4内，热空气喷射管3的下端与钻头8内的钻头体芯管7相连通，钻头 体芯管7上开有热空气喷射口6，热空气喷射管3的上端与热空气压缩机18的出气口相连 通，动力源31分别与热空气压缩机18和气相处理器25相连接，覆盖罩13设置在钻头8的 上部，覆盖罩13与气液分离器16之间连接有混合气液管路15，气液分离器16的液相出口 与废液处理器29之间连接有液相输送管路28，废液处理器29上设有达标废液排出口 32，漩涡抽风机23的进风口与气液分离器16的气相出口相连通，漩涡抽风机23的出风口 与气相处理器25的废气进口24相连通。

在所述气液分离器16入口处的混合气液管路15上设有气液分离器进口温度压力测 点14。

在所述热空气压缩机18的出口处设有热空气压缩机出口温度压力测点17。

在所述漩涡抽风机23的出口处设有漩涡抽风机出口压力测点22。

所述钻杆4的长度为9～12m，直径为250～350mm。

一种用于污染土壤深层搅拌-热空气注入的原位修复方法，首先，按照设计标高， 钻头8在目标土壤层9中上下往复钻进，将不同质地、不同疏密程度的污染土壤打散混 合，增加土壤的空隙率和疏松性，由热空气压缩机18提供的高压热空气输送至搅拌钻孔 11内，从钻头8底部的热空气喷射口6喷出，吹脱土壤中的污染物的同时也加热土壤，加 速吸附在土壤中的污染物的解吸、挥发和扩散；最后，自搅拌钻孔11收集的有机污染气 体12经由气液分离器16、气相处理器25和废液处理器29进行处理，所述搅拌钻孔11的 直径为1.5～2.5米，搅拌钻孔11的深度为9～12米，热空气注入压力为1～2MPa，热空气温 度为90～110℃。

本发明的土壤搅拌与热空气注入工艺，可采用间歇操作或连续操作。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明 整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领 域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发 明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。